РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРА СИНТЕЗ-ГАЗА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Статья поступила в редакцию 11.10.2011. Ред. рег. № 1128

The article has entered in publishing office 11.10.11. Ed. reg. No. 1128

УДК 547.211:524.943

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРА СИНТЕЗ-ГАЗА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Ю.К. Завалишин, Н.А. Денисова, М.А. Наумов, Ю.Б. Александров

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Саровский физико-технический институт - филиал МИФИ 607190 Саров, Нижегородская обл., ул. Духова, д. 6 E-mail: denisova@sarfti.ru

Заключение совета рецензентов: 16.10.11 Заключение совета экспертов: 20.10.11 Принято к публикации: 25.10.11

В статье рассмотрены основные этапы разработки генератора водородсодержащего синтез-газа, приведены результаты анализа состояния разработок реакторов синтез-газа, представлены технические требования к разрабатываемому образцу генератора водородсодержащего газа. Приведен перечень задач, которые необходимо выполнить для разработки генератора синтез-газа для автомобильной промышленности для повышения топливной эффективности и экологичности тепловых машин.

Ключевые слова: генератор водородсодержащего газа, синтез-газ, парциальное окисление углеводородов, риформер каталитический, расходомер воздуха, нагнетатель воздуха, форсунка электромагнитная.

GAS SYNTHESIS GENERATOR DEVELOPMENT FOR COMBUSTION ENGINES Yu.K. Zavalishin, N.A. Denisova, M.A. Naumov, Yu.B. Alexandrov

National Nuclear Research University «MEPHI» Physical-Technical Institute of Sarov - the Department of MEPHI 6 Dukhov str., Sarov, N.Novgorod reg., 607190, Russia E-mail: denisova@sarfti.ru

Referred: 16.10.11 Expertise: 20.10.11 Accepted: 25.10.11

The article considers main stage of the development of a hydrogenous gas synthesis generator, the results of the current state gas reactor that is being developed are provided. The paper provides the list of tasks which are necessary to solve to develop the gas synthesis generator for the automobile industry in order to create more environmentally friendly heat engines with higher fuel efficiency.

Keywords: hydrogenous gas generator, gas synthesis, partial hydrocarbon oxidation, catalytic reformer, air-flow meter, air pump, injection nozzle.

Развитие мировой экономики с возрастающим потреблением энергии при истощении запасов ископаемого топлива и сопутствующее ему негативное воздействие на окружающую среду ставят мировое сообщество перед неизбежностью создания экологически чистой эффективной энергетики, обеспечивающей независимость от ископаемых энергоносителей.

В последние годы в экономически развитых странах мира - в США, Японии, Европейском Союзе появились национальные программы в области водородной энергетики на длительную перспективу (до 2050 г). Аналогичная национальная программа по водородной энергетике разработана и в России. В соответствии с этими программами в условиях истощения запасов нефти и газа и повышения стоимости этих энергоресурсов предусматривается введение жестких экологических налогов, совершенствование водородных технологий, что приведет мировое

сообщество к ситуации, когда станет выгодно производить и использовать энергетический водород.

В качестве коммерческих продуктов в будущем могут быть широко использованы генераторы синтез-газа (ГСГ) для получения водородсодержащего газа для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на борту транспортных средств в качестве комплектующих узлов для устройств генерации электроэнергии (микротурбин и т.д.).

Известно, что применение водорода в ДВС с искровым зажиганием возможно в чистом виде и в качестве присадки в смесях с бензином или с природным газом (рис. 1). При использовании водорода в качестве присадки к топливу он играет в силу своих органических свойств (высокий коэффициент диффузии, малое расстояние от стенки гашения и пламени) роль, промотирующую сгорание, заметно повышает детонационную способность двигателя [1]. В качестве

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (102) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

присадки (добавки) наряду с чистым водородом можно использовать синтез-газ (СГ), получаемый на борту автомобиля из основного топлива методом парциального окисления топлива кислородом воздуха.

Рис. 1. Схема работы ДВС с добавкой водородсодержащей смеси Fig. 1. Scheme of working of combustion engines with hydrogenous mixture adding

Большой объем исследовательских работ по использованию водородсодержащего синтез-газа вместо чистого водорода в двигателях внутреннего сгорания проведен на следующих предприятиях: РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОАО «АвтоВАЗ», ЗМЗ, ИК СО РАН и других.

Преимущества применения бортового генератора синтез-газа сводятся к следующему:

1) водосодержащий синтез-газ вырабатывается на борту автомобиля из основного топлива (природный газ, бензин), и нет необходимости иметь дорогую инфраструктуру водорода как топлива;

2) повышается экономичность двигателя, прежде всего благодаря применению качественного регулирования. Кроме того, повышению может способствовать более полное и своевременное горение благодаря отмеченным выше свойствам: высокой диффузионной активности, малому расстоянию от стенки гашения пламени. При применении низкооктановых топлив повышение экономичности может обеспечить увеличение степени сжатия при работе с оптимальными добавками водорода;

3) радикальное снижение токсичности за счет уменьшения выбросов продуктов неполного окисления. При работе на бедных смесях малыми оказываются и выбросы оксидов азота.

Результаты работ по использованию водородсо-держащих топливных композиций, получаемых на борту транспортного средства для повышения экологических и экономических характеристик, подробно изложены в статьях [2, 3].

Полученные экспериментальные данные стендовых и дорожных испытаний свидетельствуют, что применение добавок синтез-газа как к бензину, так и к природному газу позволяет перевести двигатель в экономичный режим работы на обедненной смеси, в том числе с рециркуляцией отходящих газов, что приводит к экономии топлива и значительному снижению вредных выбросов. При использовании данной технологии отпадает необходимость в создании

водородных заправок и не требуется многомиллиардных вложений в создание инфраструктуры централизованного производства, хранения и транспортировки водорода. Кроме того, радикально улучшается проблема безопасности, поскольку водород производится непосредственно на месте потребления и используется без хранения.

На основании проведенных экспериментальных работ и расчетно-теоретических оценок авторами предлагается разработка каталитического риформера для получения синтез-газа из различного углеводородного сырья, работающего на основе селективного или пароуглекислотного окисления (смешанной конверсии) углеводородов с применением технологии термохимической регенерации для ДВС. Целью разработки обозначено снижение расхода топлива, эмиссии СО2 и токсичных компонентов (СО, СН, N0*) двигателями внутреннего сгорания.

Синтез-газ в схеме двухступенчатого окисления природного газа получают парциальным окислением кислородом воздуха углеводородов, входящих в состав природного газа:

т + п т

ОДт + «С0+уИ20; (1)

С0+Н20 о С02+И2. (2)

Наиболее трудно окисляемым углеводородом из состава природного газа является метан. Каталитическое парциальное окисление метана проводится в основном при атмосферном давлении и температуре не выше 1000 °С, катализаторами являются металлы VIII группы, такие как N1, ИИ, Яи, Р1, 1г и Pd [2].

Механизм образования синтез-газа на катализаторе №/Л1203 [4] следующий: кислород реагирует с поверхностью никеля, образуя N10, а метан диссоциирует на поверхности N1 в форме карбида, при этом водород освобождается и немедленно десорби-руется, затем карбид реагирует с №0, образуя СО и СО2. В настоящее время общепринято, что реакция образования синтез-газа идет последовательно через полное сжигание метана с образованием С02 и Н2О:

СН4 + 202 ^ С02 + 2И2О; АН = -802,6 кДж/моль, (3)

а затем оставшийся метан подвергается риформингу с образованием СО и Н2 по реакциям [2, 4, 5]:

СН4+Н2О о СО+3Н2; АН = +206,3 кДж/моль; (4)

СН4+СО2 о 2СО+2Н2; АН= +358 кДж/моль. (5)

Важным вопросом в разработке процесса каталитического парциального окисления метана является управление тепловыми режимами реактора.

Предлагаемая авторами разработка - бортовой малогабаритный генератор синтез-газа является одним из видов тепловых машин, предназначенным для выработки водородсодержащего синтез-газа на борту автомобиля и дозированной подачи СГ в двигатель в целях снижения расхода топлива, эмиссии

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

СО2 и токсичных компонентов (СО, СН, N0*) двигателями внутреннего сгорания. В работе также предусмотрено проведение испытаний разработанного генератора синтез-газа с использованием технологии термохимической регенерации (ТХР). При смешанной конверсии в схемах ДВС часть продуктов сгорания, покидающих ДВС, смешивается с исходным органическим топливом. Полученная смесь подается в реактор-теплообменник (термохимический реактор), в котором происходят эндотермические реакции смешанной конверсии, например:

СпНт + СО2 Ь 2пСО + т/2Н2; - дь кДж; (6)

СиНт + Н2О ^ СО + (т/2+п) Н2; - д2, кДж. (7)

Для осуществления указанных реакций используется низкопотенциальная теплота, отводимая из основного теплового агрегата. Затем образовавшееся конвертированное топливо сжигается. При этом теплоты на более высоком температурном уровне выделяется больше, чем при непосредственном сжигании на том же температурном уровне исходного топлива, на величину теплоты, воспринятой в результате конверсии топлива в продуктах сгорания.

Проведенные работы по созданию прототипов генератора синтез-газа привели к убежденности разработчиков в перспективности такого направления по улучшению эколого-экономических характеристик двигателей внутреннего сгорания, в результате этого были сформулированы технические требования к устанавливаемому на борт автомобиля генератору синтез-газа.

Технические характеристики

При разработке генератора синтез-газа были определены следующие требования к техническим характеристикам ГСГ:

1) Перерабатываемое топливо - природный газ в соответствии с ГОСТ 27577-87. Производительность по метану - до 5 м3/ч.

2) Объемное содержание водорода в СГ при воздушной конверсии на стационарных режимах работы прогретого ГСГ - не менее 30%.

3) Энергетический КПД преобразования топлива (отношение теплотворной способности СГ к теплотворной способности исходного топлива) на стационарных режимах - не менее 83%.

4) Потребляемая электрическая мощность в режиме пуска и саморазогрева - не более 300 Вт, напряжение питания - 12 В, в рабочем режиме - не более 70 Вт.

5) Температура СГ на выходе из охладителя - не более 110 °С.

6) Температура наружных стенок ГСГ - не более 200 °С.

7) Габаритные размеры реакторного блока (без нагнетателя, систем подвода газов и контроллера СРП):

- длина - не более 350 мм; - ширина и высота (диаметр) - не более 160 мм.

Состав генератора синтез-газа

Опытный образец ГСГ производительностью (по метану) до 5 м3/ч должен состоять из следующих составных частей:

1) системы подачи и дозирования исходных компонентов (топливо, воздух): нагнетатель воздуха, датчик расхода воздуха, газовые форсунки, смеситель «воздух-природный газ»;

2) риформера каталитического, включающего:

- каталитический реакторный блок;

- устройства ускоренного пуска риформера;

- устройство рекуперации тепла продуктов реакции;

- устройство рекуперации продуктов реакции;

- смесители, датчик температуры;

- теплоизоляцию, элементы крепления;

3) системы автоматического регулирования рабочих параметров (СРП).

Разработка и оптимизация схемы работы генератора синтез-газа, подбор комплектующих и подготовка испытаний основных узлов ГСГ

Исследования по настоящему проекту основываются на уже проведенных исследованиях разработанных макетных образцов генераторов синтез-газа с использованием технологии парциального окисления углеводородов [6]. Результаты испытаний реакторов используются при проектировании реактора для генератора синтез-газа.

Были проведены некоторые расчеты по оценке оптимальных условий получения синтез-газа воздушной конверсией природного газа. В предположении достижения термодинамического равновесия рассчитан равновесный состав и температура синтез-газа на выходе из адиабатического реактора воздушной конверсии метана при различных избытках воздуха и температуры смеси на входе в реактор. Цель расчетов - определить условия, обеспечивающие максимально возможную конверсию СН4 и выход Н2 и СО.

Определено, что конверсию целесообразно проводить при небольших избытках воздуха и высоких температурах входа. Ограничение такой рекомендации связано с возможностью коксообразования и перегрева катализатора. Так, при небольших избытках воздуха и максимальной температуре возможно достижение условий коксообразования. По литературным данным, граница стабильности синтез-газа по отношению к образованию углерода соответствует а = 0,315.

Максимальный выход синтез-газа можно достичь при коэффициенте избытка воздуха а = 0,3 и начальной температуре подогрева 4х = 4000 °С. При этом термическая эффективность будет на уровне 90%, выход синтез-газа от теоретически возможного составит 92%, температура смеси на выходе из генератора - около 8000 °С. При отсутствии подогрева максимальная термическая эффективность 84% и выход синтез-газа 85% достигается при коэффициен-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (102) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

те избытка воздуха 0,35, что соответствует температуре выхода 7100 °С. Отмечено, что воздушную конверсию метана следует проводить при избытке воздуха 0,3-0,32 и температуре подогрева смеси на входе не выше 4000 °С.

Целью автономных испытаний устройств генератора синтез-газа является оценка работоспособности изготовленных устройств, а также получение необходимой информации для проведения комплексных испытаний генератора синтез-газа.

При использовании ГСГ на транспортном средстве подача углеводородного сырья (природного газа) к дозирующему элементу осуществляется от системы питания двигателя внутреннего сгорания при давлении от 1,8 до 3,5 атм. Для подачи воздуха применяется нагнетатель воздуха, который производит забор воздуха из воздушного фильтра системы впуска ДВС.

В ходе разработки ГСГ производительностью до 5 м3/ч было проработано несколько вариантов схемного построения ГСГ с выбором комплектующих, имеющихся в продаже на рынке. Окончательный вариант схемы ГСГ приведен на рис. 2.

Аналитический расчет конструктивных параметров реактора

1.1. Определение объема и габаритов каталитического блока. Задаем расход метана, подаваемого в каталитический реактор, QCИ4 = 2,5 м3/ч, что позволяет получить приблизительно 350 г/ч водорода.

1.2. Принимаем, что объемная скорость конверсии составляет не менее ю* = 3500 ч-1.

1.3. Определяем расчетный объем катализатора (в литрах):

V = QCИ /ю* = 2500 л• ч-1/3500 ч-1 = 0,714 л.

1.4. Принимаем, что каталитический блок будет диаметром 100 мм и высотой 100 мм, что соответствует объему

п • 1дм2 -1дм/4 = 0,785 л .

Данная конфигурация блока позволяет получить низкое гидравлическое сопротивление каталитического блока и обеспечить необходимые параметры водородсодержащего газа.

ДГ1 - дозатор воздуха шаговый; ДГ2 - дозатор газа вакуумный; Р1 - датчик расхода воздуха; Р2 - датчик расхода воздуха; КЛ1 - клапан запорный газовый; КЛ2 - клапан запорный газовый; Н1 - нагнетатель воздушный; Ф1 - фильтр; СМ1 - смеситель; ТО1 - теплообменник; ФН1 - форсунка электромагнитная; РД1 - регулятор давления газовый

Рис. 2. Схема генератора синтез-газа Fig. 2. Scheme of gas synthesis generator

Разработка КД и исходных данных для технологии изготовления риформера

С учетом полученных габаритов каталитического блока проведены компоновочные работы по определению дизайна модельного каталитического реактора и разработана конструкторская документация (КД).

Интегрирование устройств риформера будет проведено по принципу теплового сопряжения, которое обеспечивает передачу избыточного тепла отходящего синтез-газа потоку газовоздушной смеси, подаваемой на конверсию. Это позволит получить достаточно высокие удельные массогабаритные характеристики риформера: при объеме риформера четыре

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

литра производится парциальное окисление природного газа с производительностью до 5 нм3/ч.

Изготовление риформера (рис. 3) производилось на площадке опытного производства и на кафедре машиностроения СарФТИ НИЯУ МИФИ с использованием универсального оборудования.

Детали сложной геометрической формы изготавливаются токарной и фрезерной обработкой из круглых заготовок соответствующего диаметра. Фланцевые тонкостенные детали изготавливаются из листовой стали толщиной 1,5-2,5 мм.

Перед сборкой элементов конструкции риформе-ра необходим входной контроль деталей на соответствие конструкторской документации, проверка собираемости и герметичности сварных соединений.

Рис. 3. Риформер каталитический. Общий вид Fig. 3. Catalytic reformer. General form

Определение критериев автономных испытаний риформера

Автономные испытания риформера будут проводиться на стенде для испытаний ГСГ.

Основная цель автономных испытаний - проверка работоспособности и технических характеристик риформера ГСГ.

Определены следующие параметры риформера, влияющие на комплексные испытания ГСГ:

- диапазон регулирования расхода природного газа при обеспечении безотказного искрового поджига газовоздушной смеси;

- диапазон регулирования расхода природного газа при полном окислении кислородом воздуха;

- температура и время запуска каталитического блока;

- диапазон регулирования расхода природного газа при работе блока в режиме получения синтез-газа;

- падение давления воздуха при работе риформера.

Предварительный выбор комплектующих генератора синтез-газа

Электрокомпрессор с блоком управления

Для экспериментального образца автомобильного генератора синтез-газа необходимо подобрать экспериментальный образец воздушного нагнетателя с блоком управления, а также провести автономные испытания компрессора. Основные технические требования к электрокомпрессору представлены ниже.

Требования по назначению:

- тип электрокомпрессора - центробежный, открытый, безмасляный, со встроенным электродвигателем;

- расход нагнетаемого воздуха через компрессор - 1-10 м3/час;

- давление воздуха на выходе из компрессора -8 кПа (избыточное);

- питание электрокомпрессора обеспечивается от сети постоянного тока напряжением 12 В;

- статический преобразователь частоты (инвертор) должен входить в блок управления электрокомпрессором;

- потребляемая электрическая мощность постоянного тока напряжением 12 В не более 75 Вт;

- уровень звуковой мощности, создаваемой электрокомпрессором при работе, не более 70 дБА.

Требования по надежности и ресурсу:

- назначенный ресурс - 5000 час;

- назначенный срок службы - 10 лет.

Работы выполнены в соответствии с ГК № П343 от 7 мая 2010 г., заключенного с ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», мероприятие 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук».

Список литературы

1. Бризицкий О.Ф., Терентьев В.Я., Христолюбов А.П., Золотарский И.А., Кириллов В.А., Собянин В.А., Садыков В.А., Мирзоев Г.К., Сорокин А.И. Разработка компактных устройств для получения синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик автомобилей // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2004. № 11 (19).

2. Перетрухин С.Ф., Бризицкий С.Ф., Кириллов В.А., Кузин Н.А., Козлов С.И. Бортовой генератор синтез-газа для ДВС с искровым зажиганием // Транспорт на альтернативном топливе. Сентябрь 2010. № 5 (17). С. 68-74.

3. Kirillov V.A., Sobyanin V.A., Kuzin N.A., Brizitski O.F., Terentiev V.Ya. Synthesis gas generation on-board a vehicle: R&D, trials, perspectives. Intern. Conf. on Hydrogen Production ICH2P-11, Yuen 19-22, 2011, Thessaloniki, Greece.

4. Справочник азотчика / под ред. Е.Я. Мельникова. М.: Химия, 1986.

5. Разработка металлопористых катализаторов генерации синтез-газа и водогрейного котла на их основе. ИК им. Г.К. Борескова. Научно технический отчет. 2005 г.

6. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. кн.1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др. / Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 2005.

- TATA — LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (102) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011